„Druckeffekt“ bei der Nukleation - Strey

„Druckeffekt“ bei der
Nukleation
10.1103/PhysRevLett.101.125703
WS 2014/15
Universität zu Köln
Valeria Weißbrot
Nukleation (Keimbildung)
- Keimbildung oder Nukleation ist der erste Teilprozess, der einen Phasenübergang erster Ordnung
einleitet
- Phasenübergang von gasförmig nach flüssig (Kondensation):
- Dampfphase muss Übersättigt sein: Bei einer gegebenen Temperatur ist der aktuelle Druck
höher als der eigentliche Dampfdruck
- Flüssigkeit ist die stabilere Phase  Freisetzung von Energie beim Phasenübergang
- Phasenübergang ist kinetisch gehemmt: für die Ausbildung der Oberfläche des Keims muss
Arbeit aufgebracht werden
 Oberflächenarbeit ist bis zu einer bestimmten Größe des Keims (kritische Größe) höher
als freiwerdende Energie beim Phasenübergang
 Keimbildung kann nur durch kleine Schwankungen der Zustandsvariablen des Systems
eingeleitet werden
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Nukleation (Keimbildung)
- Freisetzung von Energie beim Phasenübergang ist latente Wärme:
 Wärme beeinflusst Nukleationsrate negativ  muss abgeführt werden
- In Experimenten: Wärmeabtransport durch Überschuss an Trägergas
- Ansprüche an Trägergas: Inert, nicht kondensierbar, kein Einfluss auf Nukleation
 Experimentelle Untersuchungen zeigen: Druck des Trägergases hat Einfluss auf Nukleatiosrate!
 Ergebnisse sind widersprüchlich: Positiver, negativer und kein Effekt auf die Nukleationsrate
mit Druckerhöhung des Trägergases wurden experimentell gezeigt
 Motivation: Aufklärung des Phänomens
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Klassische Keimbildungstheorie (CNT)
Annahmen:
- p ist ideal
- p, T = konstant
- Trägergas hat keinen Einfluss auf Nukleation
- gebildeten Flüssigkeitstropfen haben eine scharfe Grenzfläche, sind
inkomprimierbar und sphärisch
- Flüssigkeitstropfen haben gleich Oberflächenspannung, Dichte und
Druck wie die makroskopische Flüssigkeit
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Klassische Keimbildungstheorie (CNT)
Keimbildungsarbeit: Energie, die aufgebracht werden muss, um bei konstantem p und T ein Tropfen
der Größe n zu bilden
Volumenterm
Oberflächenterm
= Differenz der chemischen Potentiale der flüssigen und gasförmigen Phase
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Klassische Keimbildungstheorie (CNT)
10.1103/PhysRevLett.101.125703
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Klassische Keimbildungstheorie (CNT)
http://strey.pc.uni-koeln.de/296.html
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Abweichungen von der CNT: Druckeffekt
 Verminderung der Keimbildungsrate
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Abweichungen von der CNT: Druckeffekt
Nichtisothermer Effekt: Die Keimbildung verläuft nicht isotherm, wie in der CNT angenommen
 Abtransport der freiwerdenden latenten Wärme durch das Trägergas ist nicht optimal
T wird größer
q = freigesetzte Wärmemenge
h = latente Wärme
= Energie, die durch Oberflächenvergrößerung verbraucht wird
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Abweichungen von der CNT: Druckeffekt
Für die nichtisotherme Keimbildungsrate folgt:
Ersetzen von
durch die pV-korrigierte Rate liefert den vollständigen Druckeffekt:
Abweichung von der CNT:
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Druckeffekt in simulierten Experimenten
Bedingungen: T = 50
S = 869
 pV-Term kommt umso mehr zum Ausdruck, je höher die Temperatur ist
 Erhöhung von T bewirkt eine Erhöhung des Gesamtdrucks
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Fazit
Es ist von der Temperatur (und damit vom Gesamtdruck) abhängig, ob der
Druckeffekt sich positiv, negativ oder gar nicht auf die Nukleationsrate auswirkt!
 der pV-Term ist entweder stärker oder schwächer ausgeprägt
falls
Ist die pV-Arbeit vernachlässigbar klein
 nichtisotherme Effekt überwiegt
 Positive Änderung der Nukleationsrate mit
steigendem Trägergasdruck
falls
Überwiegt die pV-Arbeit
 Starker Abfall der Nukleationsrate mit steigendem
Trägergasdruck
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
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